Biomed. Opt. Express：PS-OCT無偏振偽影成像活體組織微血管

當使用光學相干斷層掃描血管造影術(shù)（OCTA）對雙折射樣本成像時，由于正交信號中的血流，相位延遲可能出現(xiàn)與相位變化相反的情況，因此在導出OCTA信號時可能出現(xiàn)抵消效應(yīng)。而這種效應(yīng)會削弱OCTA探測血管信息的能力，導致對最終OCTA圖像的錯誤解釋。華盛頓大學研究人員PEIJUN TANG等演示了使用偏振敏感光學相干斷層掃描（PS-OCT）成像活體樣本中的微血管信息，而不產(chǎn)生偏振偽影。該系統(tǒng)配有掃描源OCT（SS-OCT），結(jié)合了兩種成像模式：OCTA成像和偏振敏感成像。PS-OCT用于提供雙折射對比度，其中顏色編碼的斯托克斯參數(shù)用于獲得高對比度偏振態(tài)圖像。OCTA用于獲取高分辨率的功能性微血管網(wǎng)絡(luò)圖像。利用雙通道PS-OCT結(jié)構(gòu)的優(yōu)點，消除了OCTA血管成像中偏振偽影。所提出的PS-OCTA系統(tǒng)被用于在體內(nèi)可視化人體皮膚的雙折射組件和血管網(wǎng)絡(luò)。在臨床前和臨床雙折射組織樣本的脈管系統(tǒng)研究中，將發(fā)揮出一定作用。文章以“Polarization sensitive optical coherence tomography for imagingmicrovascular information within living tissue without polarization-inducedartifacts”為題發(fā)表于Biomedical Optics Express。


  背景

 臨床皮膚病學研究中，如果有一種非侵入性的，能夠集成高成像對比和實時皮膚組織內(nèi)3D顯微解剖和微血管網(wǎng)絡(luò)的成像工具，能夠幫助更準確地評估皮膚病學中的病理狀況，如皮膚燒傷、皮膚癌、糖尿病和整形外科手術(shù)等。光學相干斷層掃描（OCT）是一種非侵入式成像技術(shù)，可以生成高度散射樣品的橫截面圖像，從而能夠以高分辨率（1-20μm）可視化3D微結(jié)構(gòu)。因此其功能擴展可能是非常理想的工具，即基于OCT的血管成像（如Doppler OCT、OCTA）和偏振敏感光學相干斷層掃描（PS-OCT）。如果集成在一起，可以顯示深度分辨的血管系統(tǒng)和嵌入皮膚組織的雙折射成分（肌腱、肌肉、膠原和神經(jīng)纖維束）。

 已有將Doppler OCT/Correlation-mapping OCTA（cmOCTA）結(jié)合到瓊斯矩陣PS-OCT中的雙模成像系統(tǒng)的報道，可以同時提供雙折射和血管信息。然而這些PS-OCT成像系統(tǒng)存在一些限制。由于使用了多普勒原理，其對血流的敏感度較低，因此很難觀察到微循環(huán)，尤其是人體皮膚內(nèi)毛細血管內(nèi)的血流量約為0.1-0.9mm/s的微循環(huán)。cmOCTA可以提取微血管信息，但它對反向散射區(qū)域中的噪聲較敏感，會在血流圖像中引起殘留的背景偽影。

 光學相干斷層掃描血管造影術(shù)（OCTA）前所未有的流量靈敏度可達毛細血管水平，可在皮膚內(nèi)測繪高信噪比微血管方面發(fā)揮巨大作用。然而傳統(tǒng)的OCTA成像中，由于樣品光束和參考光束之間的偏振失配，可能會存在偏振偽影。系統(tǒng)本身和雙折射樣品都會產(chǎn)生偏振偽影。系統(tǒng)引起的偏振偽影也稱為衰減效應(yīng)，可以通過仔細對準樣品光束和參考光束之間的偏振狀態(tài)來消除。然而當對雙折射樣品成像時，這種預對準處理難以實現(xiàn)，因為從樣品散射回來的光束的偏振態(tài)取決于樣品的未知雙折射特性。OCT的結(jié)構(gòu)和血管圖像都會受到這個問題影響，但血管成像受到的影響更嚴重。一個原因是兩臂之間偏振態(tài)的不匹配會降低相干信號的信號強度（即衰減效應(yīng)），從而降低OCTA測量的靈敏度。此外雙折射樣品的相位延遲也會影響OCTA信號。樣品的雙折射特性可能導致兩條正交偏振的光線經(jīng)歷不同的光程長度（OPL）或相位延遲。在傳統(tǒng)OCT中，只檢測兩個正交偏振光線在參考光偏振方向上的投影。由于兩束射線之間的相位延遲，由血流引起的相移在正交信號中表現(xiàn)為相反的變化，因此在導出OCTA信號時會出現(xiàn)抵消效應(yīng)。這種效應(yīng)會削弱OCTA探測血管信息的能力，導致對最終OCTA圖像的錯誤解釋。雖然其他成像模式，如散斑方差和相關(guān)映射OCTA，僅利用強度來提取血管信號，可能受偏振誘導抵消效應(yīng)的影響較小。但為了緩解這個問題，必須分別檢測雙折射樣品發(fā)出的光的兩個正交狀態(tài)。因此PS-OCT成像配置較為理想。

 本研究提出了一個雙功能成像系統(tǒng)，它將PS-OCT與OCTA相結(jié)合，以提供無偏振偽影（PA）的微血管圖像以及皮膚的高對比度雙折射圖像。分別從PS-OCT配置中的兩個通道獲取OCTA圖像，然后將其組合以生成最終無偏振偽影的OCTA圖像。對于偏振敏感成像，使用顏色編碼算法來獲得高對比度偏振態(tài)圖像，其中紅、綠和藍三原色分別用于編碼Q、U和V的斯托克斯參數(shù)。利用這種方法，綜合雙折射信息（即相位延遲和三維軸取向）可以以高對比度同時呈現(xiàn)在一幅彩色圖像中。以前的研究推導出的斯托克斯矢量很難在偏振狀態(tài)和測量值之間提供一對一的對應(yīng)關(guān)系，而顏色編碼的參數(shù)可以在圖像中以獨特的顏色呈現(xiàn)獨特的偏振狀態(tài)。研究人員還通過人體組織的體內(nèi)成像來展示了PS-OCTA成像系統(tǒng)提供雙折射信息和微血管網(wǎng)絡(luò)的能力。



 

 

圖1 （a）雙模態(tài)PS-OCTA系統(tǒng)和（b）傳統(tǒng)SS-OCT系統(tǒng)示意圖。

 

結(jié)果

 為證明雙功能PS-OCTA成像系統(tǒng)能夠提供無偏振偽影的微血管圖像，進行了人體皮膚組織的體內(nèi)OCTA成像，還進行了傳統(tǒng)OCTA成像作比較。選擇健康志愿者右手的高雙折射手掌皮膚進行演示。為增強成像深度，將一滴覆蓋有薄載玻片的甘油溶液涂在皮膚表面以進行折射率匹配。使用36 mm焦距物鏡，可提供約20 μm的橫向分辨率。采樣間隔在X和Y方向上為10 μm，圖像視場為8 × 8 mm²。為確保兩個系統(tǒng)成像的區(qū)域（圖1）相同，用一條非常小的膠帶標記目標皮膚區(qū)域，在成像過程中用作對齊導向。

 圖2顯示了由兩個系統(tǒng)捕獲的OCTA和結(jié)構(gòu)OCT圖像。結(jié)構(gòu)OCT圖像中（圖2e，g）很好的描繪出了角質(zhì)層。角質(zhì)層厚度測量約200 μm，其中沒有血管（圖2a-d）。角質(zhì)層下方出現(xiàn)血管網(wǎng)。圖2a是傳統(tǒng)的正面最大強度投影（MIP）微血管圖像，具有深度-顏色編碼，以評估血管的深度位置，其中微血管可以如預期的那樣可視化，顯示的深度約2 mm。紅色表示較深的血管，綠色表示較淺的血管。但有一些OCTA信號強度相對較弱的暗帶（如底部區(qū)域），可以看出暗帶的方向近似垂直于指紋的方向。選擇穿過暗帶的B-scan幀（圖2a），其中微血管信號在該區(qū)域顯得不太豐富。從圖2a中黃色和紅色方框中選定區(qū)域（2 × 2 mm²），計算血管密度（VD），由于健康手掌皮膚中血管分布相對均勻，預計會得出類似的計算值。然而上部和下部選擇區(qū)域的血管密度值分別為43%和37%，表明由于組織的雙折射，下部的部分血管信號被偏振偽影遮蔽。這些結(jié)果顯示了常規(guī)OCTA圖像可能出現(xiàn)的錯誤解釋。

 

 

圖2 從雙折射皮膚組織（手掌）獲得的OCTA和OCT結(jié)構(gòu)圖像。（a）傳統(tǒng)SS-OCT獲得的微血管OCTA正面圖像和對應(yīng)白色虛線位置的橫截面圖像。（b）和（c）為PS-OCTA成像系統(tǒng)的水平（CH1）和垂直（CH2）通道。（d）無偏振偽影的微血管OCTA正面圖像和相應(yīng)的截面圖像。（e）傳統(tǒng)SS-OCT獲得的結(jié)構(gòu)OCT正面圖像和對應(yīng)白色虛線位置的橫截面圖像。（f）和（g）為PS-OCT成像系統(tǒng)的水平（CH 1）和垂直（CH 2）通道。（h）組合結(jié)構(gòu)正面圖像和相應(yīng)的橫截面圖像。右下角的三角為圖像引導標記。

 

圖2b和2c顯示了分別從PS-OCTA系統(tǒng)中的兩個正交偏振通道（通道1和通道2）獲得的具有深度-顏色編碼的正面MIP微血管圖像。似乎兩個正交偏振態(tài)提供了解剖學上不同的血管網(wǎng)絡(luò)，位于雙折射皮膚內(nèi)不同的物理深度。與偏振敏感圖像（圖3）一起，在通道1中可以容易地看到血管以及指紋的脊，而在通道2中很難看到血管。通道2顯示強血管信號，在通道1中相對較弱。水平和垂直通道中的OCTA信號的相反趨勢與偏振理論框架一致，表明參考光束和樣本光束的偏振狀態(tài)的不匹配可以模糊血流信號。然而兩個正交極化通道可以提供互補的OCTA信號。一個通道中被偏振偽影減弱的OCTA信號可以被另一個通道捕獲。因此，組合兩個通道中的OCTA圖像可以幫助去除偏振偽影。

 

圖2d分別示出了無偏振偽影的OCTA圖像和相應(yīng)的橫截面圖像，其中提供了豐富的血管信息，而沒有圖2a所示的由于偏振偽影而產(chǎn)生的暗帶。圖2b或2c中缺失的（或衰減的）血管信息在圖2d中通過組合互補信息得到恢復。圖2a中由偏振偽影導致OCTA信號減小的區(qū)域中的豐富血管信息也在圖2d的截面圖像中得到展現(xiàn)。由紅色和黃色方框指示的上部和下部區(qū)域的平均VD值分別為45%和46%，符合健康手掌皮膚中血管均勻分布的預期。這些結(jié)果表明通過組合PS-OCTA系統(tǒng)中正交偏振通道捕獲的OCTA圖像，可以避免偏振偽影。

 PS-OCTA的優(yōu)點在于，除了能獲得無偏振偽影的OCTA圖像之外，還可以同時獲得掃描組織體積的偏振敏感圖像。使用圖2中的相同數(shù)據(jù)集來獲得相位延遲的3D圖像和相應(yīng)的橫截面圖像（圖3a）及偏振態(tài)圖像（圖3b）。圖3a和b中PS-OCT的3D體積式圖像由軟件ImagJ創(chuàng)建。先參照組織表面把體積弄平，然后去掉低雙折射的表層角質(zhì)層（約100 μm）。測量延遲的產(chǎn)生可能是由于原纖維真皮膠原，預計真皮膠原的雙折射約為0.3 μm^-1，因此積累正交狀態(tài)之間的π相位差所需的物理距離應(yīng)約為300 μm。為證明樣品的相位延遲可引起偏振偽影，圖3d的直方圖中顯示了從相位延遲區(qū)域（圖3a和c中黃框）和非相位延遲區(qū)域（圖3a和c中紅框）獲得的相位延遲值的分布。



 

 

圖3 健康手掌皮膚的體內(nèi)體積式偏振態(tài)圖像。（a）通過使用相位延遲作為成像參數(shù)產(chǎn)生的圖像；（b）使用偏振狀態(tài)作為成像參數(shù)的結(jié)果；（c）傳統(tǒng)的OCTA正面形象。（d）分別由a和c中黃色框（增強區(qū)域）和紅色框（非增強區(qū)域）感興趣區(qū)域獲得的延遲值的直方圖分布。

 

作為比較也展示了傳統(tǒng)的OCTA結(jié)果（圖3c），以顯示雙折射特性如何影響OCTA信號。在傳統(tǒng)的OCTA 3D圖像（圖3c）中，血管信號相對較弱的區(qū)域由黃色虛線表示，其中相位延遲圖像（圖3a）中的主導顏色是綠色（約75°-90°），如圖3d中直方圖所示，其他區(qū)域具有較低的相位延遲值（約20°-60°）。由于往返測量，從該區(qū)域散射回來的兩條正交光線之間的相位延遲接近π，這會減小OCTA信號并產(chǎn)生偏振偽影。從圖3a-c中白色虛線區(qū)域選擇截面圖像，在圖3a截面圖像中，黑框區(qū)域的平均相位延遲值約為86.7°，這是造成偏振偽影的原因。該區(qū)域中的血管信號，尤其是微血管信號相對較弱（圖3c），表明相位延遲引起的偏振偽影導致血管信號而減小。

 

偏振敏感結(jié)果（圖3a和b）顯示的結(jié)構(gòu)類似于人手掌皮膚的指紋特征。在相位延遲圖像（圖3a）中，可近似識別脊和乳頭。脊和乳頭的相位延遲值接近，平均值分別為2.88 (rad)和2.76 (rad)。樣品的偏振態(tài)圖像（圖3b）全面且較清晰地提供了人類手掌皮膚的結(jié)構(gòu)圖像。在偏振態(tài)圖像中，可以方便去除組織內(nèi)的無定形成分，因此可提取并區(qū)分強雙折射成分的紋理：乳頭和脊。紋理結(jié)構(gòu)顯示乳頭和脊之間的膠原組織是交叉型的。

 雖然已經(jīng)證明本研究中PS-OCTA成像系統(tǒng)的有用性，但還需要進一步改進，以包括減少由PM光纖內(nèi)正交偏振模式之間的交叉耦合引起的偽影的處理。光纖中的這種交叉耦合效應(yīng)可能會使OCT圖像的垂直偏移拷貝出現(xiàn)在真實樣本的上方和下方，從而可能降低圖像質(zhì)量并影響組織雙折射和血流的定量測量。有兩種解決方案預計可以改善這個問題：1）使用較長的PM光纖段將偽像移出OCT范圍；2）使用wavelet-FFT濾波后處理算法去除偽影。這樣，可以同時更精確地測量偏振參數(shù)和血流信息，對于評估樣品的病理狀態(tài)是有非常用的，如評估疾病發(fā)展過程中的燒傷病理模型。


  結(jié)論
 本文展示了一種雙功能PS-OCTA成像系統(tǒng)，它可以通過一次測量同時提供3D無偏振偽影微血管圖像和高對比度偏振敏感圖像。通過實驗也表明，利用PS-OCT配置的正交通道可以避免OCTA圖像中的偏振偽影。所提出的PS-OCTA成像可能在臨床前和臨床上對微血管和雙折射組織參與疾病發(fā)展的實際研究中發(fā)揮一定作用。

 

參考文獻：Tang, P. , and  R. K. Wang . "Polarization sensitive optical coherence tomography for imaging microvascular information within living tissue without polarization-induced artifacts." Biomedical Optics Express 11.11(2020):6379.